（信号与信息处理专业论文）基于arm的蜂窝芯生产线上位控制系统.pdf

摘要 论文题目：基于a r m 的蜂窝芯生产线上位控制系统 学科专业：信号与信息处理 研究生：孙中胜 指导教师：顾桓副教授 签名：弘、中甩， 签名：左垄莹 摘要 用来生产新一代蜂窝纸包装材料的连续走纸蜂窝纸芯生产线是一种新型设备，一些使 用在高速凹印机上的张力和套准控制系统既无法适应纸芯生产的低速、重载、干扰大、套 准与张力关联性强的特点，在功能和性价比方面也不匹配。本课题在充分分析生产线特点 的基础上，针对性地研究和开发了上下位结构的张力与套准控制系统。 本课题以系统的上位控制平台及其监控程序为研究目标，以先进的a r m + l i n u x 技术为 基础，进行了基于基本构件的平台构建技术的研究与开发，并在此基础上针对目标系统设 计了相应的监控系统，其主要工作包括如下： ( 1 ) 完成系统硬件平台的设计。采用a r m 7 核心的s 3 c 4 4 b o x 处理器，在工板的基础 上扩展用户接口，搭建监控平台硬件系统，为软件的运行奠定基础。 ( 2 ) 完成了板级o s 系统软件的定制。该部分包括b o o t l o a d e r 的实现，嵌入式操作 系统u c l i n u x 的移植，内核的修改，m i n i g u i 图形库的移植，嵌入式开发环境的搭建。 ( 3 ) 开发板级系统平台的设备驱动程序，包括l c d 显示屏的驱动、触摸屏的驱动和 测速系统驱动。 ( 4 ) 初步实现平台监控应用软件。编写基于m i n i g u i 的控制应用程序，设计人机交 互界面和基于r s 一4 8 5 总线的系统通讯协议。 ( 5 ) 对控制系统进行了建模仿真。 关键词：蜂窝纸；嵌入式系统：驱动程序：m i n i g u i a b s t r a c t t i t l e ：t h es u p e r o r d i n a t i o nc o n t r o ls y s t e m o fb e e h i v e p a p e rc o r ep r o d u c t i o nl l n eb a s e do na r mp r o c e s s o r m a j o r - s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e ：z h o n g s h e n gs u ns i g n a t ur e i ：纽! 鲤竺 s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f h u a ng us i g n a t u r e ： a b s t r a c t 川4 州h t h eb e e h i v ep a p e rc o r cp r o d u c t i o nl i n ei san e wt y p em a c h i n ew h i c hi su s e dt op r o d u c t n e wg e n e r a t i o np a c k i n gm a t e r i a ln a m e db e e h i v ep a p e r s o m et e n s i o na n dr e g i s t e rc o n t r o l s y s t e m su s e di nf a s t s p e e di n t a g l i op r i n t i n gm a c h i n ec a n n o tb ea d a p t e dt ot h i sm a c h i n e ，w h o s e s p e c i a l i t yi sl o ws p e e d ，h i g hw e i g h t ，b i gn o i s ea n dh a v i n gs t r o n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e g i s t e r a n dt e n s i o n a l s ot h e i rf u n c t i o n sd o n o tm a t c hw i t ht h e i rp r i c e t h et h e s i sw i l lm a k ea ni n d e p t h a n a l y s to f t h i sp r o d u c t i o nl i n e ss p e c i a l i t y ，t h e nr e s e a r c ha n dd e v e l o pan e wt e n s i o na n dr e g i s t e r c o n t r o ls y s t e m t h er e s e a r c hg o a lo ft h i st h e s i sa r cs u p e r o r d i n a t i o nc o n t r o lc o n s o l ea n di t sm o n i t o r p r o g r a m t h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo f a r m + l i n u xh a sb e e nu s e d al o to f w o r kh a sb e e nd o n e i nb u i l d i n gt h ep l a t f o r mm a d eu po fs e v e r a lc o m p o n e n t s t h em o n i t o rp r o g r a ma l s oh a sb e e n w r i t t e nf o rt h et a r g e tc o n t r o ls y s t e m t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w i n g ： ( 1 ) b u i l dt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo f s y s t e m ，w h i c hi sb a s e do ns 3 c 4 4 8 0 xc p u ( 2 ) c u s t o m i z eo ss o f t w a r ef o rb o a r d w en e e dt ow r i t eb o o t l o a d e r , m o d i f yt h eu c l i n u x k e r n e la n dm 面i g u i t h e nb u i l dt h ee m b e d e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ( 3 ) d e v e l o pl i n u xd e v i c ed r i v e r s ，s u c ha sl c d ，t o u c hp a n e la n ds p e e dt e s t i n gs y s t e m ( 4 ) w r i t ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ef o rt h i st h e s i s w en e e dt os u p p l yh u m a ni n t e r f a c em a d r s 一4 8 5c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 ( 5 ) g i v eam o d e lo f t h ec o n t r o ls y s t e m ，t h e ns i m u l a t ei ti ns i m u l i n k k e yw o r d s ：b e e h i v ep a p e r ；e m b e d e ds y s t e m ；d r i v e rp r o g r a m ：m i n i g u i 独创性声明 秉承祖周优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的晓明并已致谢。 本论文及其糨关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：盟i 生i j 量印7 年3 月珂日 学位论文使用授权声明 本人3 ： ，生雎。在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 醋安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位沦文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：丛主! 扭； 导师签名：一么! 垒查莹扣，7 年；月巧日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景 中国的包装行业，已由中低级水平在向高级水平发展；由国内水平向国际水平发展。 作为先进生产力的纸箱包装设备，代表9 0 年代水平的是单面机和低档瓦楞纸生产线。进 入新世纪，在纸箱包装发达地区，大企业都已进行了技术改造淘汰了老设备，换上了高档 快速生产线。 我国加入w t o 后，随着形势的发展，国外包装机械将凶猛地向国内包装机械挑战，纸 箱包装企业将日益倾向技术。挑战反挑战，将使中国的包装企业迈向国际水平。这就是中 国的纸箱包装新发展的趋势。 纸包装由单一的瓦楞纸向蜂窝纸、凹凸纸转移。虽然转移的力度不大，但是必须看到 这样一个严峻的现实嘲。蜂窝技术与瓦楞技术属性类同。瓦楞技术的发明、应用历史悠久， 它运用波浪型瓦楞成为纸芯，然后进行多层复合，形成瓦楞纸，最后加工系列纸品包装。 由于瓦楞技术应用在纸品包装方面有着独特优越性，因此在整个包装工业中成为第一位产 业，为商品包装发挥了巨大的作用。这已成为国际包装界的共识。1 。 蜂窝纸板作为包装材料使用的历史也不过十多年，但却在许多方面显示出无法比拟的 优越性和良好的发展前景。蜂窝的六边形结构是蜜蜂的杰作，它以最少的材料消耗构筑成 坚固的蜂巢，它的结构具有非凡的科学性。蜂窝纸板就是依据自然蜂巢结构原理制作的， 它是把无数个空心立体六角形，用胶接方法连接成一个整体的受力件形成纸芯，并在其两 面粘合面纸而成的一种新型纸制板材“。它质量轻、强度高、刚性好，并具有缓冲、防振、 保温、隔热、隔音等性能；它成本低廉、适用性广，节省资源、保护生态环境，是一种新 型的绿色包装材料。它广泛应用于包装、储运、建筑业，车船制造业、家具业等，以替代 木材、泥土砖、发泡聚苯乙烯( e p s ) 。 虽然我国的蜂窝纸板发展前景看好，但问题不可忽视，蜂窝纸板与瓦楞纸板的发展之 间仍然存在着很大的差距。我国蜂窝纸板生产线的完整性，稳定性、加工精度、外观质量 等与国外先进水平相比，还存在很大差距。生产设备自动化程度低，有的工序仍用手工作 业。生产效率低。尤其是蜂窝纸板制品成型加工设备比较简单，有的甚至还是空白。 成型技术加工水平的高低，是保证纸蜂窝制品质量的重要环节。蜂窝纸板和瓦楞纸板 的成型加工工艺不同，前者要求比较高、难度大。瓦楞纸板的压痕、模切、开槽、封边、 粘接、订箱等工艺都可以在机械设备上解决完成，而蜂窝纸板在制品成型过程中，如压痕、 封边、防潮、平整性、光滑度等方面还存在问题，生产的蜂窝纸板制品表面粗糙、色彩不 佳、不够档次，难以达到标准化和系列化，难以满足用户需要。所以，蜂窝纸板成型加工 技术仍是压抑蜂窝纸板发展的重要因素。另外，蜂窝纸板的防水、防潮问题还没有很好地 解决。蜂窝纸板制成的包装箱、托盘，受潮后强度减弱，经不起撞击和振动。在抵挡外物 侵入的能力上，瓦楞纸板却比蜂窝纸板高出几倍。而且蜂窝纸板成箱困难，也没有合适的 西安理工大学硕士学位论文 配套设备，难以规模化生产纸箱。 目前，国产蜂窝纸板生产线，由两大部分组成。第一部分为制造蜂窝状六角形结构的 纸芯机组；第二部分为对纸芯进行上下层复合成纸板的流水生产线，类同瓦楞纸板生产线， 所不同的是：一种是瓦楞纸芯，一种是蜂窝纸芯。1 。 从生产工艺流程的分工看，前套工序是生产蜂窝纸芯，纸芯的质量、规格、形状是蜂 窝产品的基础，首先要得到保证。后套工序是对纸芯进行上下层复合成纸板，后加工的质 量、水平是保证蜂窝制品质量的重要环节。 蜂窝纸芯成型工艺主要是制芯，其制芯方法有缠绕式和叠层式两种。缠绕式制芯工艺 用两卷芯纸，其中一卷两面错位涂胶，再通过八角滚筒缠绕卷曲，卷至6 0 1 2 0 m m 烘干后裁 切成8 块，即制成蜂窝纸芯板。根据用户及使用要求，将蜂窝纸芯板再裁切成一定长度的蜂 窝纸芯条，即完成了制芯过程。叠层式纸芯成型工艺，用两卷芯纸，其每卷纸单面横向涂胶， 两卷纸之间横向错位粘合，横向切断后再吸附转移叠层，最后压实烘干制成蜂窝纸芯板“”。 蜂窝纸板的成型机理及成型工艺直接影响到蜂窝纸板的生产设备、产量及使用性能。 随着生产力的发展和社会的进步，对蜂窝纸板的需求量越来越大，质量与性能要求也越来 越高，因此，有必要进一步研究、探讨蜂窝纸板的成型机理，以及蜂窝结构对蜂窝纸板性能 的影响，从而迸一步开发生产蜂窝纸板的新工艺、新技术及新设备。 1 2 蜂窝芯生产线控制系统选型 包装机械设备的控制系统是一个十分庞大而又复杂的系统，涉及的方面比较多，开发 难度大。不同的生产厂家采用的控制系统不尽相同，而且受蜂窝纸芯成型工艺的影响，生 产设备机组的结构差别也很大。例如，无锡市亚联蜂窝机械厂) 【l 一1 6 0 0 型蜂窝纸芯生产线 的电气控制采用p l c 和无级变频调速器对光、机、电、气、液进行联锁自动控制，自动化 程度高，大大减少了人工干预，可靠性比较好。x l - 1 6 0 0 型蜂窝纸芯生产线的系统采用层 叠式制芯原理，采用横向涂胶方式，它可以用窄幅的纸卷制造出宽幅的蜂窝纸芯条，不受 原纸宽度的限制。然而，西安宏瑞包装机械有限公司出品的f x 1 2 5 0 型连续式全自动蜂窝 芯生产线和前者使用相同的制芯原理，采用的电气控制系统却是基于工控机s t 2 0 0 0 的凹 印机套色系统。因此，对于蜂窝芯生产线控制系统的选型可以存在多种方案，广泛使用的 控制系统解决方案有三种。 ( 1 ) 基于可编程控制器p l c 的控制系统。可编程控制器具有程序可变、可靠性高、 功能强、编程简单、环境适应性好、抗干扰能力强以及体积小、质量轻等优点，得到广泛 的应用，但成本偏高。 ( 2 ) 基于工控机的通用控制系统。工控机提供上位机控制平台，扩展i o 板卡实现 其他的扩展功能。工控机的几乎可以应用在任何工业控制场合。由于其通用性的特点，存 在资源浪费。 ( 3 ) 基于嵌入式处理器的定制系统。主流的嵌入式处理器有5 1 单片机系列，i ) s p 系列，a r m 处理器系列等。从8 位、1 6 位到3 2 位，品种多，覆盖面广，可以根据需要选 1 绪论 取。由于是定制系统，功能和成本可以做到很好的搭配。 本课题采用基于a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 的嵌入式技术，作为控制系统实现 的技术核心。以f 1 v x l 2 5 0 型连续式全自动蜂窝芯生产线作为研究对象，一方面挖掘现有的 控制系统特点，提取出控制系统模型，另一方面借鉴其他印刷包装设备的设计原理，尝试 研制出系统的控制平台，具有推广意义，实用性强。 因此，在导师的指导下，蜂窝芯生产线的控制系统将通过两个课题的方式完成，最后 做系统平台的测试。 1 3 课题的主要研究目标与方向 从宏观角度分析，本课题是针对蜂窝纸芯生产线的张力套准控制系统的研究。主要 研究蜂窝纸板生产线的第一部分，如何生产出合格的蜂窝纸芯。结合西安宏瑞包装机械有 限公司出品的f w x l 2 5 0 型连续式全自动蜂窝芯生产线，分析该生产线设备的机组结构( 如 图i - i ) 。 图l l 蜂窝纸芯生产线机组结构 f i g 1 1t h ep r o d u c t i o nl i n eo f b e e h i v ep a p e rc o r e 该机组主要由放料机和涂胶贴合机组成。放料机设有自动上料机构，磁粉制动器及恒 张力控制机构，涂胶贴合机设有自动上胶，汽缸控制贴合压力等自动化控制机构。后加工 机组由分切、涂胶、聚合三部分组成，主要功能是把前面五层贴合好的纸板分切成生产所 需要的规格，经涂胶聚合成蜂窝纸条。聚合后的蜂窝纸条经压合定型、上下打毛，横切断 成所需要的规格，最后对接。与传统的胶印机相比，一个很大的区别就是，胶印机是通过 在同一个纸卷上印刷油墨，形成图案文本信息，而蜂窝纸芯制造设备则是在多个纸卷上分 别印上粘合胶，然后压实处理。 为了能够生产出合格的蜂窝纸芯，印刷到纸张上的胶条必须排列有序，相对位置偏移 3 西安理工大学硕士擘位论文 一致，否则将无法拉伸成蜂窝结构。 图1 - 2 蜂窝纸芯断面图 f i g 1 - 2b e e h i v ep a p e rc o r e sc r o s ss e c t i o n 从蜂窝纸芯断面( 图1 - 2 ) 可以看出，黑色连续部分代表纸张，斜线阴影部分代表胶 条，其中a 图所示的纸芯通过纵向拉伸可以形成正六边形结构，即所谓的蜂窝结构，而b 图的纸芯拉伸后，结构变形，若情况再严重些，纵向将根本无法拉伸。因此胶条在每层纸 卷上出现的位置，将是控制的主要对象，也是判断生产出的蜂窝芯是否合格的唯一标准。 本课题将要完成两个部分的具体工作。首先是搭建嵌入式系统开发平台，平台是后续 功能的载体，也是课题的一个难点。尽管搭建的平台有通用性，但平台设计的出发点还是 完全基于课题本身。平台的搭建包括硬件系统设计和底层系统软件的设计，只有二者协同 工作才能开发具体的控制系统。其次是编写监控软件，实现对蜂窝纸芯生产线张力套准 控制器的控制功能。 1 4 论文章节安排 本文分为七个章节，安排如下： 第一章，首先，分析当前蜂窝纸板的应用现状，对蜂窝纸有个正确全面的认识。然后， 描述蜂窝纸板生产设备的组成，针对其中的蜂窝纸芯部分选择电气控制系统实现方案，最 终确定本课题的研究内容。 第二章，主要完成a 蹦监控平台硬件系统的搭建。首先分析了控制系统的整体架构， 设计出上位机控制台的实施方案。在明确采用工板开发方式后。对选取的工板进行资源扩 展。详细分析工板系统和扩展系统中主要电路图原理。一方面，硬件电路设计是本课题的 内容。另一方面，这也为后面的嵌入式系统运行奠定硬件平台基础。 第三章，构建嵌入式系统的底层软件支持部分，定制板级o s 系统。分析移植嵌入式 操作系统和b o o t l o a d e r 是构建嵌入式软件平台的第一步。由于涉及到跨平台开发，还需 4 o t_i-_-l-til l l _ _ t i 绪论 要建立交叉编译环境，正确配置开发用的宿主机。因此，本章的内容对于嵌入式系统设计 具有通用的参考价值。 第四章，作为嵌入式系统的软件平台，最重要的内容就是板级设备驱动程序的开发。 设备驱动程序隶属于操作系统而又具有其特殊性，因此要根据需要添加相应的代码。本课 题采用的是u c l i n u x 操作系统，针对工板扩展的硬件如l c d 屏、触摸屏以及测速装置都需 要定制编写驱动。l i n u x 驱动程序设计是最低层的程序开发，开发难度大，是难点的具体 表现。 第五章，在嵌入式软硬件平台基础上，实现平台监控软件。首先分析生产线控制系统 的两种工作模式，详细论述控制过程的实现。实现上位机控制台，人机界面必不可少，这 里采用基于m i n i g u i 图形库的设计方案，编写基于m i n i g u i 的交互界面程序。实现了基于 i i c 总线的测速系统软件设计，并拟订出r s 一4 8 5 通讯协议。 第六章，对控制系统建模仿真，尝试建立蜂窝纸芯生产线控制系统结构模型。自动锁 定工作模式是控制系统的核心，是实现自动调节、自动生产的关键所在。对于自动锁定模 式，建立系统的仿真模型，给出了m a t l a bs i m u l i n k 仿真的结果。 第七章，总结课题取得的成果。 5 2a r m 监控平台硬件系统的设计与实现 2a r m 监控平台硬件系统的设计与实现 2 1 课题的张力套准系统的整体架构 本课题采用嵌入式a r m 处理器( s 3 c 4 4 b o x ) 作为最终实施方案。一方面，使用嵌入式 系统替代原有的工控机，可以大大降低成本，具有经济效益。另一方面，嵌入式系统设计 是目前的热点，将这种技术应用于蜂窝芯生产线控制系统，也是课题的创新所在。 蜂窝纸芯生产线包括若干独立的机组，各机组上分别装有特定的控制器和执行机构。 针对本课题，该生产线包括张力控制器和套准控制器这两种类型的控制器。张力控制器安 装于存放纸卷的机组即上料机，用于控制纸卷的张力大小：套准控制器安装于涂胶机组上， 用于调整差速电机，完成对印刷在纸张上的胶条套准工作。位于不同机组上的张力控制器 和套准控制器之间协调工作，则是由上位机控制台通过通讯总线发送控制命令实现。 上位机控制台在生产线的控制系统中处于主导地位，各机组上的张力套准控制器属 于被控对象。若要将他们联系到一起，应提供一种能够适应于工业现场的局域网总线，完 成信息的流动。课题选用r s - 4 8 5 工业用总线。 本课题的张力套准控制系统整体结构如图2 - 1 所示，系统的网络结构明晰，扩展性 好。为了提高系统的抗干扰能力，所有的r s - 4 8 5 接口部分均采用光电隔离，传输介质采 用屏蔽双绞线。软件上，通讯报文内添加了校验字环节，确保数据的完整性。图中虚线框 部分是另外一个课题的内容，本课题则是完成实线框里的内容。 图2 - 1 控制系统整体结构 f i g 2 lt h es t r u c t u r eo f c o n 仃o ls y s t e m 西安理工大学硕士学位论文 2 2a r m 上位控制台的方案设计 决定控制台性能的一个主要因素就是处理器，这里采用三星公司的s 3 c 4 4 b o x ，该处 理器是a r m t t d m i “町核心，支持u c l i n u x 操作系统。虽然处理器的运行速度不是很高，在 系统中已经够用，而且处理器芯片内部含有丰富的外设资源。通过使用s 3 c 4 4 b o x 处理器 构建嵌入式系统平台可以获得较高的性价比。 基于嵌入式的系统在开发阶段，为了加速其研发效率，多是采用工板扩展方式。所谓 “工板”就是针对特定的处理器能够提供嵌入式系统的基本功能，并对所有引脚进行扩 展，方便用户开发的一种通用硬件平台。工板同时也是处理器生产商提供的设计参考，具 有很强的可行性。产品实验阶段，可以在工板上验证各个功能，并添加用户定制的扩展功 能，开发效率高。因此，本课题也是基于工板的开发模式，在基本功能无法满足的情况下， 扩展需要的外设接口。 课题的工板采用金一倍公司出品的s 3 c 4 4 b o x 实验板，主要硬件配置如下： 三星s 3 c 4 4 b o x ( s a m s u n ga r m 7 t d m i ) 微处理器； 2 m b1 6 b i tf l a s h ( s s t 3 9 v f l 6 0 ) ： 8 m 81 6 b i tp c i 0 0 p c i 3 3 兼容s d r a m ； 2 路带有r s - 2 3 2 c 电平转换u a r t 接口； 4 路小键盘及l e d 指示灯； l 路蜂鸣器； i i c 接口串行e e p r o m ：a t 2 4 c 0 44 k b i te e p r o m ； 双排针将所有处理器引脚资源引出； i o m 以太网控制器( 采用r t l 8 0 1 9 ) 。 在此基础上，需要对系统的资源进行扩展，还要提供r s - 4 8 5 通讯接口、人机界面和 测速装置，上位机控制台的设计结构如图2 - 2 所示。 8 s 3 c a 4 b o x 处理器 口 工板 7 8 寸s t nl o ) 屏 l a d 黼黝 ( 带触摸) r 1 图2 - 2 控制台硬件核心框图 f i g 2 - 2t h eh a r d w a r e sc o r cs t r u c t u r eo f c o n t m lc o n s o l e 2a r m 监控平台硬件系统的设计与实现 由于工板已经提供r s 一2 3 2 c 通讯接口，可以用带无源光隔的r s 一2 3 2 c 到r s - 4 8 5 转换 适配器，实现所需的r s 一4 8 5 总线接口。 人机界面采用松下公司的一款7 。8 寸l c o 显示屏作为输出界面，支持6 4 0 * 4 8 0 的物理 分辨率和2 5 6 种颜色。并使用与l c d 屏幕尺寸相匹配的触摸屏作为输入，通过对触摸屏的 点击完成各种操作，符合简单易用原则。 测速装置采用基于p b 9 l p c 9 2 2 f n 单片机系统实现，通过i i c 总线与主处理器s 3 c 4 4 b o x 连接。采用的测速传感器是光电式转速传感器，即光电编码器。光通过开孔盘和缝隙板照 射到光敏元件上，开孔盘上有2 0 、3 0 、6 0 个小孔，开孔盘转一周，光敏元件接受光的次 数等于盘上的开孔数。若开孔数为6 0 ，记录时间为t 秒，总脉冲数为n ，则转速n = 6 0 n 6 0 t = n t ( r m i n ) 。 2 3a r m 上位机工板硬件系统组成 硬件电路的实现是后续编码调试工作的基础，需要针对不同的功能提供相应的原理图 设计，以及后续的布板与调试。本课题采用基于工板的开发方式，因此硬件系统的构成将 分为两大部分，一部分是工板组成，一部分是扩展系统设计。由于工板是硬件系统必不可 少的一部分，而且在将来产品量产化阶段需要重新设计，因此对于工板的每个功能模块实 现，包括原理设计、布板布线和调试，都要有深刻的认识，而不是简单的拿来主义。 2 3 1 $ 3 c 4 4 8 0 x 概述 s 3 c 4 4 b o x 是韩国三星( s a m s u n g ) 公司为手持设备和一般类型应用提供高性价比和高 性能微控制器解决方案的1 6 3 2 位r i s c 处理器。它采用a r m 7 t d m i 内核0 2 5 u m 的c m o s 工艺，通过集成全面的、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的器件配 置，从而最小化系统的成本“8 “”1 。 该处理器的主要特征： ( 1 ) 2 5 va r m 7 t d m i 内核，带有8 k 高速缓存器( 主频高至6 6 m h z ) ； ( 2 ) 外部存储器控制器( f p e d o s d r a m 控制，片选逻辑) ： ( 3 ) l c d 控制器( 最多支持2 5 6 d s t n ，l c d 具有专用d m a ) ； ( 4 ) 2 通道通用u a r t ( i = i j 置1 6 b y t ef i f o ，并兼容i r d a i 0 ) 1 通道s i o ； ( 5 ) 2 通道独立d m a 控制器，2 通道外设d m a 并具有外部请求引脚； ( 6 ) 8 个b a n k 外部存储器接口。每个b a n k 有独立片选口，寻址能力高达3 2 m b b a n k x 8 b a n k = 2 5 6 m b ，同时b a n k 6 7 还可外接各种f p e d o s d r a m ； ( 7 ) 6 通道多功能定时器p 1 | l m 发生器： ( 8 ) 7 1 个通用输入输出口： ( 9 )具有日历功能的实时时钟( r t c ) ； ( 1 0 ) 8 通道l o b i ta d c ( 采样速率可到5 0 0 k s p s ) ： ( 1 1 ) l 通道i i c 总线( 可工作于多主模式) ； 9 西安理工大学硕士学位论文 ( 1 2 ) l 通道i i s 音频数据接口( 可工作于主从模式) ； ( 1 3 ) 1 通道多功能同步串行口( 可工作于s p i s c i 模式) ； ( 1 4 ) 多种省电工作模式：普通，慢速，空闲和停止模式； ( 1 5 ) 具有p l l 的片上时钟发生器。 在本课题的应用中，s 3 c 4 4 b o x 的优越性得到很好的发挥。各种片上外设恰到好处， 例如，2 个u a r t 控制器一个可用来作为u c l i n u x 的终端调试接口，另一个则实现r s 一4 8 5 总线；内部的i i c 总线控制器实现i i c 总线协议，连接测速装置；1 0 位a d 正好满足触摸 屏的需要；内置的l c d 控制器又是驱动液晶屏必不可少。 总之，s 3 c 4 4 b o x 的选择既满足课题对成本和功能的需要，又减少了开发的复杂度。 基于s o c 芯片的设计，更符合现代设计原则，在应用中也更加可靠。 2 3 2 晶振与复位电路设计 根据s 3 c 4 4 b o x 的最高工作频率以及p l l 电路的工作方式，选择i o m h z 的无源晶振， 经过s 3 c 4 4 b o x 片内的p l l 电路倍频，就可以达到6 4 m h z ，以满足u c l i n u x 系统对处理器 速度的要求。片内的p l l 电路兼有频率放大和信号提纯的功能，系统可以用较低的外部时 钟信号获得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声。 复位电路图2 - 3 的工作原理如下：在系统上电时，通过电阻r 2 6 向电容c 4 6 充电，当 c 4 6 两端的电压尚未达到高电平的门限电压时，n r e s e t 端输出为低电平，系统处于复位状 态；当c 4 6 两端的电压达到高电平的门限电压时，n r e s e t 端输出为高电平，系统进入正 常工作状态。 图2 - 3 晶振与复位电路 f i g 2 - 3t h ec i r c u i to f o s c i l l a t i n ga n dr e s e t 当用户按下手工复位按钮s 5 时，c 4 6 两端的电荷被释放掉，n r e s e t 端输出为低电平， 系统进入复位状态，再重复以上的充电过程，系统进入正常工作状态。 两级非门电路用于按钮去抖动和波形整形；通过调整r 1 和c 1 的参数，可调整复位状 态的时间。 1 0 2a r m 监控平台硬件系统的设计与实现 2 3 3 存储器接口电路设计 s 3 c 4 4 b o x 本身含有外部存储器控制器，为外部存储器操作提供必要的存储器控制信 号。从其特性中看出，s 3 c 4 4 b o x 对存储器支持非常广泛，并可以更具不同的需要进行参 数配置。由于系统将来采用u c l i n u x 操作系统，而内存管理又是操作系统的核心任务，设 计模块之前，要先看看u c l i n u x 是如何工作的： 当系统首次上电启动时，s 3 c 4 4 b o xc p u 首先从复位地址o x o 处运行b o o t l o a d e r 。 b o o t l o a d e r 在初始化硬件，建立内核启动环境后，将内核代码拷贝到s d r a m 中去运行， 以提高系统的运行速度。因此，程序代码段必须存放到掉电非易失的存储器f l a s h 中。本 模块将涉及f l a s h 和s d r a m 两种类型存储器的设计。 采用一片s s t 3 9 v f l 6 0 构建1 6 位的f l a s h 存储器系统，其存储容量为2 m b 。系统上电 或复位后，首先执行f l a s h 存储器中的程序代码，因此f l a s h 存储器配置到r o m s r a m b a n k o ，即将s 3 c 4 4 b o x 的n g c s o 接至s s t 3 9 v f l 6 0 的c e # 端。对应的地址范围 是：o x 0 0 0 0 ，0 0 0 0 一o x o o l f ，f f f f 。 由于s 3 c 4 4 b o x 的速度最快为6 6 m h z ，所以选择s d r a m 的速度应在6 6 m h z 以上，以满 足系统要求( 注：如果内存速度不能满足需要，那么也可以插入等待周期，通过编程实现) 。 本设计中根据系统需要( 速度、容量、电源) ，选用h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ，其为3 3 v 供电、8 m b 存储容量、时钟频率为1 4 3 m h z 。将其配置到s 3 c 4 4 b o x 的b a n k 6 ，即对应的地址范围 是：o x o c 0 0 ，0 0 0 0 一o x o c 7 f ，f f f 。 s s t 3 9 v f l 6 0 属于线性f l a s h ，地址线与数据线分离，接口电路如图2 - 4 ( a ) 所示。而 s d r a m 的存储单元必须定时刷新( 充电) 。因此，要在系统中使用s d r a m ，就要求微处理器具 有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。s d r a m 的控制线要比f l a s h 略 微复杂些，其接口电路如图2 - 4 ( b ) 所示。 m 呻 a 1肿l a 3 ”d 7m a 1 2d o l 2 a 1 4 d 0 上 ( a ) f l a s h 当艺= 兰鬻苎 糕瓣 鼗嚣瑶 3 臣 习丫 乒 型 圈2 4 存储器电路 f i g 2 - 4t h ec i r c u i to f m e m o r yi c s ( b ) s d r a m 西安理工大学硕士学位论文 2 3 4 串行接口电路 s 3 c 4 4 b o x 的u a r t ( 通用异步收发器) 单元提供两个独立的异步串行i o 端口，每个都 可以在中断和d m a 两种模式下工作。它们支持的最高波特率为1 1 5 2 k b p s 。每个u a r t 通 道包含2 个1 6 位f i f o ，分别用于接收和发送。 在代码调试阶段，提供一个r s 一2 3 2 c 接口作为u c l i n u x 的终端，输出调试信息。对另 一个接口使用无源光隔r s - 2 3 2 c 到r s - 4 8 5 转换适配器完成到r s - 4 8 5 总线的过渡。 由于r s 2 3 2 c 标准所定义的高、低电平信号与s 3 c 4 4 8 0 x 系统的l v t t l 电路所定义的 高、低电平信号完全不同，l v t t l 的标准逻辑“i ”对应2 v 3 3 v 电平，标准逻辑“0 ” 对应o v o 4 v 电平，而r s - 2 3 2 c 标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1 ”对应一5 v 一1 5 v 电 平，标准逻辑“0 ”对应+ 5 v + 1 5 v 电平。r s - 2 3 2 c 与l v t t l 之间需要电平转换，这里使用 m a x 2 3 2 ( 如图2 5 ) 实现。 p ln 刊h 门广一 li 争n 爿一c 1 0 2 i l i l ! ! 一l 三 l 卫里! 丛z 5t x d 2m8 d q 删孵c 竹9 j r u l c l +v c c c l -v + 口v - i ( 2 -g n d t 1 0 u tt l i n r 1 i nr l o u t t 2 0 u tn i n r 2 1 nr 2 0 u t 酗2 3 2 c n l i l f 7 图2 - 5 串口通讯电路 f i g 2 5t h ec i r c u i to f u a r tc o m m u n i c a t i o n 2 4a r m 平台扩展系统的设计与实现 在s 3 c 4 4 b o x 工板硬件系统的基础上，课题扩展了四个模块，即前面讲述的r s 一4 8 5 通讯模块、人机界面模块、测速模块以及特别的电源模块。其中r s 一4 8 5 通讯模块的扩展 采用适配器转换方式，没有与之对应的具体电路。人机界面包含输入输出通道，输入通道 对应触摸屏接口，输出通道对应l c d 显示屏。测速模块是独立的一个单片机系统。电源模 块实现对系统电能的分配，不属于功能范畴。 2 4 1 电源模块设计 电源是电路系统设计的基础，电源的好坏将直接影响系统的稳定性。因此要根据场合 的需要，设计电源供给网络，平衡电能的分配，提供高质量的电源管理。由于是面向工业 控制领域，因此必须能够满足现场的条件。通常，工业中使用2 2 0 v 市电和2 4 v 直流电源， 课题使用2 2 0 v 市电作为整个系统的电源输入端口。 分析该电路系统对不同电压的需求。首先是l c d 屏的背光高压板需要提供+ 1 2 v 电压； 羔焉 2a r m 监控平台硬件系统的设计与实现 系统的弱电部分则需分别提供5 v 、3 3 v 、2 5 v 三组低压输入。系统共需要4 组不同的电 压。考虑到功率分配的合理性，这里使用1 2 v 和7 v 两种电源适配器，提供可靠的直流降 压输入。然后再对7 v 分别降压得到5 v 、3 3 v 、2 5 v 三组低压输入。系统电源分配图如图 2 - 6 所示。 图2 - 6 电源分配网络 f i g 2 - 6t h eb r i e f d i a g r a mo f s y s t e mp o w e rd i s t r i b u t i o n 电源适配器可以选用高质量的电源模块，满足系统的功率要求即可，这里初步设计的 电源负载能力都是l a 。而后面使用的d c d c 转换，采用l d 0 ( l o w d r o p o u tl i n e a rr e g u l a t o r ) 为系统提供直流稳压电源。三组d c - d c 变换虽然输出电压不同，但电路结构基本一致，以 5 v 为例，使用a s l l l 7 - 5 o 芯片给出设计参考( 如图2 - 7 ) 。 u 9a s i l l 7 5 o 图2 7l d o 转换电路 f i g 2 _ 7l d ot r a n s f o r m a t i o nc i r c u i t 其中，二极管d 9 提供了电源的防反接功能，作为保护电路，使工作状态更加可靠。 电解电容则是用于电源滤波，减小电源波动对后续电路的影响。 2 4 2 触摸屏接口 a 触摸屏的基本原理 触摸屏的种类很多，常用的有表面声波屏、电容屏、电阻屏和红外屏。本课题使用4 1 3 西安理工大学硕士学位论文 线电阻式触摸屏，这里分析一下该触摸屏的工作原理。 电阻式触摸屏主要部分是一块与显示器表面非常配 合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜层，它以一层 玻璃或硬塑平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属 ( i t o 氧化铟透明的导电电阻) 导电层，上面再盖一层 外表面经硬化处理的，光滑防擦的塑料层，它的内表面也 涂有一层i t o ，在他们之间有一层细小的( 小于1 l o o o 英寸) 透明隔离把两层导电层隔开绝缘。当手指触摸屏幕 时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，如图2 8 所示， 控制器侦测到这一接触并计算出( x ，y ) 的位置。再根 据模拟鼠标的方式运作。这就是电阻技术触摸屏的最基 本的工作原理唧1 。 这种触摸屏的特点是； 。高清晰度，高速传输反应。 。表面硬度处理，减少擦伤，刮伤及防化学处理。 。具有光面及雾面处理。 。一次校正，稳定性高，永不漂移。 b 本平台的具体设计 掷幅片 纯馨支点矗啊曙膏直) 图2 - 8 触摸屏构成 f i g 2 8t h es t r u c t u r eo f t o u c hp a n e l 触摸屏输出的物理量是电阻值，通过加电产生模拟电平信号，因而必须将模拟信号转 换为数字信号，才能被处理器识别。将模拟信号转换为数字信号需要通过模数转换来实现， 这里使用s 3 c 4 4 b o x 内部a d 转换器控制触摸屏，电路如图2 9 所示。 。匹 邕。 1 崔 b ，。 图2 - 9 触摸屏转换电路 f i g 2 - 9t h ec i r c u i to f t o u c hp a n e l 首先将p f 6 即y + 输入一个低电平，如果触摸屏产生一个触摸动作，将在x 方向得到 低电平信号，同时该信号连接到e i n t 3 即外部中断3 的中断源引脚，因此如果有触摸动作， 2a r m 监控平台硬件系统的设计与实现 将引发外部中断3 ，可以在外部中断3 的中断处理函数中获取触摸屏坐标。 触摸屏x ，y 方向分别与a i n o ，a i n i 连接。x ，y 值的数据采集过程就是通过各自的a d 通道来完成。采集y 方向的数据：将x + ( p f 7 ) 输出商电平，x 一( p f 8 ) 输出低电平，然后采 集通道a i n i 的数据：采集x 方向的数据：将y + ( p f 6 ) 输出高电平，y - ( p f 5 ) 输出低电平， 然后采集通道a i n o 的数据。为了保证准确性，通常采集l o 次以上数据，并去头去尾取中 间数据的平均值。 2 4 3 外挂实时接口的测速系统 a 系统设计的原因与方案讨论 套准控制器要求控制台提供生产线机组的走纸速度。为实现该功能，采用光电编码器 完成测速，通过对光电编码器的输出计数，然后转换后褥到需要的速度值。 最初的设计采用s 3 c 4 4 b o x 的内部提供的1 6 位定时器，通过外部1 0 引脚输入脉冲。 选用t i m e r 4 定时计数器，计数p e 4 t c l k 引脚的输入。两经过实际测量后发现，得到的脉 冲计数值存在很大误差。分析原因，主要由于u c l i n u x 系统不是硬实时系统，无法做到精 确定时，这种随机产生的时延给系统带进了不确定的误差。